핵연료 이물질 여과장치의 가중평균을 이용한 성능평가 방법에 관한 연구 :

박준규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박준규 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 김재훈

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

핵연료 이물질 여과장치의 가중평균을 이용한 성능평가 방법에 관한 연구

박준규 기계·기계설계·메카트로닉스공학과 2018.01 학위논문

2017

가중평균을 이용한 핵연료 이물질 여과성능 평가에 관한 연구

박준규 , 이성기 , 김재훈 대한기계학회 논문집 A권 2017.02 학술저널

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본 연구는 핵연료집합체에서 이물질 여과장치의 여과성능 평가의 신뢰성을 제고하고자 기준이 되는 시험방법 및 가중평균을 이용한 여과효율의 산출방법을 개발하기 위해 수행되었다. 새롭게 개발된 시험방법과 여과효율의 산출방법은 상용 공급 핵연료집합체의 여과성능 비교시험에 적용하여 적합성을 확인하였으며, 향후 이물질 여과장치 개발과정 중에서 우수모형 선정에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 대표 이물질 시편을 이용한 반복시험을 통해 이물질 크기와 여과장치 형상에 따른 여과성능을 분석하였다. 이물질 여과성능의 향상 방안은 영향 분석을 바탕으로 제시되었으며, 제시된 향상 방안은 향후 이물질 여과장치 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
1) 이물질여과 시험방법 및 시험시설은 수립된 시험요건을 바탕으로 구축되었으며, 시험에 사용된 이물질 시편은 다양한 이물질을 대표하기 위해 선정되었다. 이물질여과 확률 모델은 이항분포임을 시험을 통해 검정하였고, 평균자유행로 개념을 적용하여 이물질간의 간섭을 최소화하기 위한 시편 투입개수를 결정하였다. 반복시험횟수를 계산하기 위한 총 이물질 투입개수는 수립된 여과확률 모델과 통계적 이론을 기반으로 결정하였다.
2) 상대비교를 위한 종합 이물질여과 효율은 왜도가 심한 이물질여과 시험결과를 분석하기 위해 가중평균 방법을 적용하여 산출하였다. 가중평균을 이용한 종합 이물질여과 효율은 산술평균보다 항상 낮거나 같게 평가됨을 증명하였고, 변별력을 높이기 위해 핵연료집합체내에 손상 유발 이물질의 잔존 가능성을 의미하는 가중인자를 적용하였다.
3) 이물질여과 시험은 17ACE7과 PLUS7 시험 핵연료집합체를 이용하여 수행되었으며, 상대비교를 위한 종합 이물질여과 효율을 산출하였다. 17ACE7 핵연료집합체의 종합 이물질 여과 효율은 PLUS7 핵연료집합체보다 약 9% 정도 낮게 산출되었으며, 그 이유는 하단고정체의 여과효율에 의한 차이 때문이다. 종합 이물질여과 효율에 대한 정확도 수준을 평가하기 위해 불확도 분석을 수행하였으며, 분석 결과 3∼4%의 불확도가 산출되었다.
4) 이물질 시편 크기는 여과효율에 영향이 있음을 분산분석을 통해 확인하였으며, 각 이물질 시편의 크기에 따라 여과효율을 예측할 수 있는 추정식을 다항회귀분석을 통해 도출하였다. 17ACE7 핵연료집합체의 경우, 이물질의 직경과 폭이 여과효율에 유의한 영향을 미치나 길이에 의한 영향은 크지 않다. PLUS7 핵연료집합체의 경우, 이물질의 직경과 폭뿐만 아니라 길이도 유의한 영향을 준다. 이러한 이유는 하부노심구조물과 하단고정체의 구조적 형상 차이에 의한 것이다.
5) 이물질 여과장치 형상은 여과성능에 영향을 주며, 그 주요 치수로 하단고정체와 보호지지격자 간극, 이물질 포획구간 길이, 하단고정체 높이, 이물질 최대통과 직경을 도출하였다. 하단고정체와 보호지지격자 간극은 증가할수록 여과성능이 향상되며, 이물질 포획구간 길이는 투입된 이물질 길이보다 상대적으로 긴 경우 여과효율이 향상된다. 이물질 길이 대비 하단고정체 높이가 충분히 확보되었을 경우 여과성능이 증가하고 이물질 최대 통과 직경은 감소할수록 여과성능이 향상된다.

This study was conducted to develop a standardized debris filtering test procedure and an efficiency calculation method using weighted mean which will improve the reliability of debris filtering performance evaluation for the nuclear fuel assembly. The newly developed test procedure and the efficiency calculation method were used to compare the filtering performance of the commercial nuclear fuels and their validity was confirmed. These methods will be useful for selecting candidate models when developing the debris filtering device. The filtering performance depending on debris size and filtering device geometry was analyzed through replicates using the representative debris specimens. The guidelines for improving debris filtering performance were suggested based on the effect analysis and these are expected to be applied to the development of the debris filtering devices. The major conclusions from this study are as follows:
1) The debris filtering test method and the test facility were established according to the proposed test requirement, and the debris specimens used in the test were selected to represent various types of debris. Binomial distribution was introduced as an acceptable model for debris filtering probability through goodness-of-fit tests. The number of debris specimens injected at a time was determined to minimize interference among debris by using the mean free path theory. The total number of debris specimens was determined to calculate the number of replicates based on the debris filtering probability model and statistical theories.
2) The comprehensive debris filtering efficiency for the relative comparison was calculated by applying the weighted mean to analyze highly skewed debris filtering test data. It was shown that the filtering efficiency using weighted mean is less than or equal to that using arithmetic mean. The weighting factor, which means the possibility of entrapped debris in the fuel active region, of the weighted mean was introduced to fairly evaluate the filtering performance.
3) The debris filtering tests were carried out using the 17ACE7 and PLUS7 test fuel assemblies to calculate the comprehensive debris filtering efficiencies for relative comparison. According to the test results, the comprehensive debris filtering efficiency of 17ACE7 fuel assembly is less by 9% than that of PLUS7 fuel assembly, which is attributed to the filtering performance of bottom nozzle. The uncertainty analysis was performed to evaluate the level of accuracy of the comprehensive debris filtering efficiency and the expanded uncertainties were calculated as 3∼4%.
4) It was found that the size of debris specimen has a statistically significant effect on the filtering efficiency by using ANOVA method. The estimation equations for the debris filtering efficiency depending on the size of debris specimen were developed using the multiple linear regression. The diameter and width have a significant effect on the filtering efficiency of 17ACE7, but the effect of length is not significant. However, for PLUS7 fuel assembly, the diameter and width as well as length have a significant effect on the filtering efficiency. This is due to the difference in geometry of the lower core structures and bottom nozzles.
5) The geometry of debris filtering devices impacts on the performance of filtering. The gap between bottom nozzle and protective grid, debris capturing region distance, bottom nozzle height, and maximum passing-through diameter were selected as the major effect factors of the geometries. The filtering performance increases as the gap between bottom nozzle and protective grid increases. The performance also improves as the debris capturing region distance is relatively longer than the length of debris. As the bottom nozzle height is sufficiently high compared to the length of debris, and as the maximum passing-through diameter decreases, the filtering performance improves.

I. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 4
1.3 연구 내용 10
II. 이론적 고찰 12
2.1 시험 요건 12
2.2 이물질여과 확률 모델 15
2.2.1 이물질여과 모델 15
2.2.2 이물질여과 확률 모델 적합도 검정 17
2.3 최적 이물질 투입개수 및 요구수량 20
2.3.1 최적 이물질 투입개수 20
2.3.2 총 이물질 요구수량 27
2.4 이물질 시편 치수 허용공차 31
2.5 종합 이물질여과 효율평가 33
III. 시험 장비 및 방법 46
3.1 시험 장치 46
3.2 시험 재료 51
3.3 시험 방법 58
3.4 시험결과 평가방법 62
IV. 시험 결과 및 고찰 64
4.1 이물질여과 확률 모델 검증 64
4.1.1 적합도 검정 66
4.1.2 K-S(Kolmogorov-Smirnov) 적합도 검정 68
4.1.3 이물질여과 확률 모델 검증 결과 고찰 70
4.2 최적 이물질 투입개수 및 요구수량 검증 71
4.2.1 이물질 투입개수에 따른 여과효율 71
4.2.2 오차에 따른 총 이물질 요구수량 74
4.2.3 이물질 투입개수 및 요구수량 검증 결과 고찰 76
4.3 종합 이물질여과 효율 평가 78
4.3.1 17ACE7 핵연료집합체 이물질여과 효율 78
4.3.2 PLUS7 핵연료집합체 이물질여과 효율 83
4.3.3 상대비교를 위한 종합 이물질여과 효율 88
4.3.4 이물질여과 시험결과 평가방법 고찰 93
4.4 이물질 크기 및 여과장치 형상에 따른 여과효율 분석 95
4.4.1 이물질 시편 크기에 따른 여과효율 분석 95
4.4.2 이물질 여과장치 형상에 따른 여과효율 분석 112
V. 결 론 124
참고문헌 126
ABSTRACT 134

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